CN115958729B - 一种超声定向成膜装置及定向成膜方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声定向成膜装置及定向成膜方法，针对如何利用同一设备及方法对不同复合材料薄膜中的不同填料进行定向配列的问题，本发明提供一种定向成膜装置，包括机架，机架沿基膜运动方向按顺序分别设置低频震动辊、大振幅辊组和小振幅辊组。本装置通过低频震动辊、大振幅辊组、小振幅辊组三者的一次作用，通过超声震动方式使基膜上的复合浆料中的填料能够定向排布，通用性好，结构简单，定向排列效果好。本发明还提供了一种定向成膜方法，包括制备复合浆料、涂布浆料、填料定向排列、烘干等步骤，本方法步骤较少，通用性高，能够适用于不同填料的薄膜材料。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料薄膜领域，更具体地说，它涉及一种超声定向成膜装置及定向成膜方法。
背景技术
在复合材料薄膜中，填料通常是无规乱序排列的。如通过一定的定向排列手段，将复合材料中的一维纤维状、二维片状等具有取向性的材料在复合材料中实现定向排列，实现填料在复合材料中的高度定向排列，则可以大大提升材料的拉伸强度、导电性、导热性等性能。
传统的定向排列手段主要有自组装、电场、磁场、流体剪切、辊压挤压等形式，以上方式均对填料的特性具有较强的选择性。如只有具有较强极性的填料才可通过自组装形式定向排列，电场磁场排列需要对电场或磁场敏感的材料。而且通过以上方式实现的定向排列有序度均不高，制备效果与通用型也难以满足工业化的需求。因此，如何利用同一设备及方法对不同复合材料薄膜中的不同填料进行定向配列，是目前行业内急需解决的一大问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种超声定向成膜装置和一种复合材料薄膜的定向成膜方法，具有无需依托填料特性对填料进行定向排列，装置通用度高，填料的定向排列有序度高的优点。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
本发明在一个方面提供了一种超声定向成膜装置，包括机架，机架沿基膜运动方向按顺序分别设置低频震动辊、大振幅辊组和小振幅辊组；
低频震动辊的震动频率为5-10KHZ，震动模式为沿基膜运动方向的上下震动，震动振幅为10-30um；
大振幅辊组的震动频率为20-30KHZ，震动模式为平行基膜运动方向左右震动，振幅为5-10um；
小振幅辊组的震动频率为20-30KHZ，震动模式为平行基膜运动方向左右震动，振幅为1-5um。
采用上述技术方案，通过低频震动辊能够将基膜表面的复合浆料震动均匀，使基膜表面的浆料的厚度区域一致，同时话能够使浆料中的填料保持平行排布，便于进行后续的定向排列；通过大振幅辊组能够使浆料中的填料之间的夹角大幅度减小，使填料处于大致平行状态，便于使填料能够保持一个大致的方向，使得填料之间的连续性、排列有序度大大提高；通过小振幅辊组能够继续调整填料之间夹角的夹角，使得填料能够处于基本平行状态，有助于进一步增强填料之间的连续性、排列有序度；本装置通过低频震动辊、大振幅辊组、小振幅辊组三者的一次作用，无需根据填料的特性，通过超声震动方式使基膜上的复合浆料中的任意性状的填料能够定向排布，通用度高，结构简单，定向排列效果好。
进一步，大振幅辊组包括平行设置的第一大振幅辊和第二大振幅辊，第一大振幅辊和第二大振幅辊的辊间距为10-50cm；小振幅辊组包括平行设置的第一小振幅辊和第二小振幅辊，第一小振幅辊和第二小振幅辊的辊间距为10-50cm。
采用上述技术方案，采用第一大振幅辊和第二大振幅辊作为大振幅辊组能够保证基膜在大振幅辊组上运行的稳定性；采用第一小振幅辊和第二小振幅辊作为大振幅辊组能够保证基膜在小振幅辊组上运行的稳定性。
进一步，大振幅辊组采用大振幅超声源作为振动源，大振幅超声源通过大振幅变幅杆与大振幅辊组连接；小振幅辊组采用小振幅超声源作为振动源，小振幅超声源通过小振幅变幅杆与小振幅辊组连接。
采用上述技术方案，采用大振幅超声源和小振幅超声源，作为振动源便于控制震动的频率和振幅，有助于提高设备的操作便利性和运行稳定性。
本发明在另一个方面提供了一种复合材料薄膜的定向成膜方法，应用一种超声定向成膜装置，包括以下步骤：
S1、制备复合浆料，所得复合浆料中固含量为0.1-50%，所得复合浆料中复合浆料的粘度为100-10000mpa·s；
S2、将所得的复合浆料均匀涂布在基膜上，复合浆料层的厚度为10-50μm；
S3、将涂布有复合浆料的基膜送入超声定向成膜装置，进行填料在浆料中的定向排列工序；
S4、将超声定向成膜装置输出的薄膜送入烘干系统，进行复合浆料的烘干固化工序，得到定向排列的薄膜材料。
采用上述技术方案，本方法操作步骤简单，能够对基膜上的复合浆料中的任意性状的填料进行定向排布，能够适用于不同性能的薄膜材料，通用性好。
进一步，S1中复合浆料由基体材料、填料、溶剂组成，其中基体材料：填料：溶剂的重量配比范围为0-0.5:0.01:1。
采用上述技术方案，基体材料、填料、溶剂在此配比范围下定向排布的效果最优。
进一步，基体材料选自聚氨酯、聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚氯乙烯、有机硅树脂、丙烯酸树脂的一种或多种的混合。
采用上述技术方案，上述基体材料的一种或多种的混合物的定向排布的效果最优。
进一步，填料选自碳纳米管、银纳米线、纳米碳纤维、氧化铝纳米线、石墨烯、氧化石墨烯、纳米六方氮化硼、金刚石纳米片的一种或多种的混合。
采用上述技术方案，上述填料的特性最优，能够制得性能更好的薄膜材料。
进一步，溶剂包括但不限于水、甲醇、乙醇、乙酸乙酯、异丙醇、二元酸酯、环己烷、二甲基甲酰胺、甲基吡咯烷酮的一种或多种的混合。
采用上述技术方案，上述溶剂的一种或多种的混合物能够良好的溶解基体材料，使得基体材料与填料能够良好地分散混合。
进一步，烘干固化的时间为0.5-180分钟，烘烤温度为50-180℃。
采用上述技术方案，在此烘干固化的时间范围和烘烤温度范围内，薄膜表面地填料固化效果最优。
进一步，薄膜材料的复合层厚度大于50μm时，经过多次涂布、定向排列、烘干的方式制得。
采用上述技术方案，使得本方法也能够适用于最终复合层厚度大于50μm的薄膜材料。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1.本发明提供的装置通过低频震动辊、大振幅辊组、小振幅辊组三者的一次作用，通过超声震动方式使基膜上的复合浆料中的填料能够定向排布，通用度高，结构简单，定向排列效果好；
2.本发明提供的方法操作步骤简单，能够对基膜上的复合浆料中的任意性状的填料进行定向排布，能够适用于不同填料的薄膜材料，通用性好。
附图说明
图1为本发明中一种超声定向成膜装置的俯视图；
图2为本发明中填料定向排列前的俯视形态图；
图3为本发明中填料定向排列后的俯视形态图。
图中：1、基膜；2、低频震动辊；3、小振幅辊组；31、小振幅超声源；32、小振幅变幅杆；33、第一小振幅辊；34、第二小振幅辊；4、大振幅辊组；41、大振幅超声源；42、大振幅变幅杆；43、第一大振幅辊；44、第二大振幅辊。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本发明进行详细描述。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
实施例1
一种超声定向成膜装置，参见图1，包括机架，机架沿基膜1运动方向按顺序分别设置低频震动辊2、大振幅辊组4和小振幅辊组3。
参见图1，低频震动辊2的震动频率为5-10KHZ，震动模式为沿基膜1运动方向的上下震动，震动振幅为10-30um。
参见图1，大振幅辊组4包括平行设置的第一大振幅辊43和第二大振幅辊44，第一大振幅辊43和第二大振幅辊44的辊间距为10-50cm。大振幅辊组4采用大振幅超声源41作为振动源，大振幅超声源41通过安装于机架的大振幅变幅杆42与第一大振幅辊43和第二大振幅辊44转动连接。大振幅辊组4的震动频率为20-30KHZ，震动模式为平行基膜1运动方向左右震动，振幅为5-10u。
参见图1，小振幅辊组3包括平行设置的第一小振幅辊33和第二小振幅辊34，第一小振幅辊33和第二小振幅辊34的辊间距为10-50cm。小振幅辊组3采用小振幅超声源31作为振动源，小振幅超声源31通过小振幅变幅杆32与第一小振幅辊33和第二小振幅辊34转动连接。小振幅辊组3的震动频率为20-30KHZ，震动模式为平行基膜1运动方向左右震动，振幅为1-5um。
该超声定向成膜装置前可连接涂布系统，实现复合浆料在基膜1上的连续均匀涂布。涂布系统的涂布方式辊涂，喷涂，丝印，移印等均匀涂布方式。该装置后可连接烘干系统，实现复合浆料的烘干固化，最终得到高度定向排列的薄膜材料。烘干系统的作用为将复合浆料中的溶剂烘干，使基体材料与填料形成固体、致密薄膜。烘干系统中加热方式不限，电加热、红外加热、燃气、燃油、蒸汽加热等加热方式均可。
实施例2
一种复合材料薄膜的定向成膜方法，使用实施例1所描述的一种超声定向成膜装置实现，其具体步骤如下：
S1、按照聚氨酯：碳纳米管：二甲基甲酰胺=0.2：0.01:1的重量配比称取物料，将物料混合后搅拌均匀得到复合浆料,其中固含量为16%，粘度为1500mpa·s。
S2、所得复合浆料通过辊涂的方式均匀涂布在高分子薄膜上，复合浆料层的厚度控制在10μm。
S3、将涂布有复合浆料的高分子薄膜通过本发明提供的超声定向装置，实现填料在浆料中的定向排列。
S4、将已实现浆料定向排列的高分子薄膜通过隧道炉，实现复合浆料的烘干固化，得到定向排列的薄膜材料，烘干时间控制在0.5分钟，烘烤温度控制在50℃。
S5、得到薄膜产品。
其中，S3中填料在定向排列前的形态参见图2，定向排列后的形态参见图3，可以看到浆料在定向排列后有序度大大提高。
实施例3
一种复合材料薄膜的定向成膜方法，使用实施例1所描述的一种超声定向成膜装置实现，其具体步骤如下：
S1、按照银纳米线：乙醇=0.1:1的重量配比称取物料，将物料混合后搅拌均匀得到复合浆料,其中固含量为10%，粘度为100mpa·s。
S2、所得复合浆料通过辊涂的方式均匀涂布在高分子薄膜上，复合浆料层的厚度控制在20μm。
S3、将涂布有复合浆料的高分子薄膜通过本发明提供的超声定向装置，实现填料在浆料中的定向排列。
S4、将已实现浆料定向排列的高分子薄膜通过隧道炉，实现复合浆料的烘干固化，得到定向排列的薄膜材料，烘干时间控制在30分钟，烘烤温度控制在80℃。
S5、得到薄膜产品。
实施例4
一种复合材料薄膜的定向成膜方法，使用实施例1所描述的一种超声定向成膜装置实现，其具体步骤如下：
S1、按照有机硅树脂：氧化铝：二元酸酯=0.5:0.1:1的重量配比称取物料，将物料混合后搅拌均匀得到复合浆料,其中固含量为50%，粘度为10000mpa·s。
S2、所得复合浆料通过辊涂的方式均匀涂布在高分子薄膜上，复合浆料层的厚度控制在50μm。
S3、将涂布有复合浆料的高分子薄膜通过本发明提供的超声定向装置，实现填料在浆料中的定向排列。
S4、将已实现浆料定向排列的高分子薄膜通过隧道炉，实现复合浆料的烘干固化，得到定向排列的薄膜材料，烘干时间控制在180分钟，烘烤温度控制在180℃。
实施例5
一种复合材料薄膜的定向成膜方法，使用实施例1所描述的一种超声定向成膜装置实现，其具体步骤如下：
S1、按照丙烯酸树脂：石墨烯：二甲基甲酰胺=0.4：0.05:1的重量配比称取物料，将物料混合后搅拌均匀得到复合浆料,其中固含量为40%，粘度为4900mpa·s。
S2、所得复合浆料通过辊涂的方式均匀涂布在高分子薄膜上，复合浆料层的厚度控制在35μm。
S3、将涂布有复合浆料的高分子薄膜通过本发明提供的超声定向装置，实现填料在浆料中的定向排列。
S4、将已实现浆料定向排列的高分子薄膜通过隧道炉，实现复合浆料的烘干固化，得到定向排列的薄膜材料，烘干时间控制在70分钟，烘烤温度控制在90℃。
实施例6
一种复合材料薄膜的定向成膜方法，使用实施例1所描述的一种超声定向成膜装置实现，其具体步骤如下：
S1、按照聚酰亚胺：二维氮化硼：甲基吡咯烷酮=0.2:0.04:1的重量配比称取物料，将物料混合后搅拌均匀得到复合浆料,其中固含量为20%，粘度为3400mpa·s。
S2、所得复合浆料通过辊涂的方式均匀涂布在高分子薄膜上，复合浆料层的厚度控制在15μm。
S3、将涂布有复合浆料的高分子薄膜通过本发明提供的超声定向装置，实现填料在浆料中的定向排列。
S4、将已实现浆料定向排列的高分子薄膜通过隧道炉，实现复合浆料的烘干固化，得到定向排列的薄膜材料，烘干时间控制在100分钟，烘烤温度控制在60℃。
实施例7
一种复合材料薄膜的定向成膜方法，使用实施例1所描述的一种超声定向成膜装置实现，其具体步骤如下：
S1、按照氧化石墨烯：水=0.03:1的重量配比称取物料，将物料混合后搅拌均匀得到复合浆料,其中固含量为2%，粘度为120mpa·s。
S2、所得复合浆料通过辊涂的方式均匀涂布在高分子薄膜上，复合浆料层的厚度控制在10μm。
S3、将涂布有复合浆料的高分子薄膜通过本发明提供的超声定向装置，实现填料在浆料中的定向排列。
S4、将已实现浆料定向排列的高分子薄膜通过隧道炉，实现复合浆料的烘干固化，得到定向排列的薄膜材料，烘干时间控制在20分钟，烘烤温度控制在100℃。
实施例8
一种复合材料薄膜的定向成膜方法，使用实施例1所描述的一种超声定向成膜装置实现，其具体步骤如下：
S1、按照聚乙烯醇：金刚石纳米片：异丙醇=0.2:0.1:1的重量配比称取物料，将物料混合后搅拌均匀得到复合浆料,其中固含量为20%，粘度为6000mpa·s。
S2、所得复合浆料通过辊涂的方式均匀涂布在高分子薄膜上，复合浆料层的厚度控制在40μm。
S3、将涂布有复合浆料的高分子薄膜通过本发明提供的超声定向装置，实现填料在浆料中的定向排列。
S4、将已实现浆料定向排列的高分子薄膜通过隧道炉，实现复合浆料的烘干固化，得到定向排列的薄膜材料，烘干时间控制在50分钟，烘烤温度控制在150℃。
实施例9
一种复合材料薄膜的定向成膜方法，使用实施例1所描述的一种超声定向成膜装置实现，其具体步骤如下：
S1、按照聚氯乙烯：碳纤维：环己烷=0.3:0.1:1的重量配比称取物料，将物料混合后搅拌均匀得到复合浆料,其中固含量为20%，粘度为5000mpa·s。
S2、所得复合浆料通过辊涂的方式均匀涂布在高分子薄膜上，复合浆料层的厚度控制在29μm。
S3、将涂布有复合浆料的高分子薄膜通过本发明提供的超声定向装置，实现填料在浆料中的定向排列。
S4、将已实现浆料定向排列的高分子薄膜通过隧道炉，实现复合浆料的烘干固化，得到定向排列的薄膜材料，烘干时间控制在50分钟，烘烤温度控制在55℃。
实验例
按照实施例2至9所描述的方法在同等条件下制备在不使用定向排列功能下的薄膜，并将其作为相对应实施例的对照组，按照各个实施例所制备的薄膜的用途进行性能测试，测试结果参见下表。
表1不使用定向排列功能和使用定向排列功能下的薄膜性能测试结果
| 实施例序号 | 填料种类 | 复合浆料配方及配比 | 用途 | 不使用定向 排列性能 | 使用定向 排列性能 |
| 2 | 碳纳米管 | 聚氨酯：碳纳米管：二甲基甲酰胺 0.2：0.01:1 | 导电材料 | X方向电导率 20s/m | X方向电导率 200s/m |
| 3 | 银纳米线 | 银纳米线：乙醇 0.1:1 | 导电材料 | X方向电导率 200s/m | X方向电导率 2000s/m |
| 4 | 氧化铝纳米线 | 有机硅树脂：氧化铝：二元酸酯 0.5:0.1:1 | 导热材料 | X方向热导率 0.5w/mK | X方向热导率 5w/mK |
| 5 | 石墨烯 | 丙烯酸树脂：碳纳米管：二甲基甲酰胺 0.4：0.05:1 | 导电材料 | X方向电导率 100s/m | X方向电导率 1500s/m |
| 6 | 二维氮化硼纳米片 | 聚酰亚胺：二维氮化硼：甲基吡咯烷酮 0.2:0.04:1 | 绝缘材料 | Z方向绝缘性 击穿电压800V | Z方向绝缘性 击穿电压4500V |
| 7 | 氧化石墨烯 | 氧化石墨烯：水 0.03:1 | 导热材料 | 2800℃石墨化后 800W/mk | 2800℃石墨化后 1600W/mk |
| 8 | 金刚石纳米片 | 聚乙烯醇：金刚石纳米片：异丙醇 0.2:0.1:1 | 导热材料 | XY方向热导率 0.5w/mK | XY方向热导率 10w/mK |
| 9 | 碳纤维 | 聚氯乙烯：碳纤维：环己烷 0.3:0.1:1 | 力学材料 | X方向拉伸强度 60MPa | X方向拉伸强度 120Mpa |
根据表1可见，经过定向排列后，各组薄膜所需的性能均有大幅提升。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种超声定向成膜装置，包括机架，其特征在于：所述机架沿基膜(1)运动方向按顺序分别设置低频震动辊(2)、大振幅辊组(4)和小振幅辊组(3)；
所述低频震动辊(2)的震动频率为5-10KHZ，震动模式为沿基膜(1)运动方向的上下震动，震动振幅为10-30um；
所述大振幅辊组(4)的震动频率为20-30KHZ，震动模式为平行基膜(1)运动方向左右震动，振幅为5-10um；
所述小振幅辊组(3)的震动频率为20-30KHZ，震动模式为平行基膜(1)运动方向左右震动，振幅为1-5um。
2.根据权利要求1所述的一种超声定向成膜装置，其特征在于：所述大振幅辊组(4)包括平行设置的第一大振幅辊(43)和第二大振幅辊(44)，第一大振幅辊(43)和第二大振幅辊(44)的辊间距为10-50cm；所述小振幅辊组(3)包括平行设置的第一小振幅辊(33)和第二小振幅辊(34)，第一小振幅辊(33)和第二小振幅辊(34)的辊间距为10-50cm。
3.根据权利要求1所述的一种超声定向成膜装置，其特征在于：所述大振幅辊组(4)采用大振幅超声源(41)作为振动源，所述大振幅超声源(41)通过大振幅变幅杆(42)与大振幅辊组(4)连接；所述小振幅辊组(3)采用小振幅超声源(31)作为振动源，所述小振幅超声源(31)通过小振幅变幅杆(32)与小振幅辊组(3)连接。
4.一种复合材料薄膜的定向成膜方法，应用权利要求1至3任一所述的一种超声定向成膜装置，其特征在于，包括以下步骤：
S1、制备复合浆料，所得复合浆料中固含量为0.1-50%，所得复合浆料中复合浆料的粘度为100-10000mpa·s；
S2、将所得的复合浆料均匀涂布在基膜(1)上，复合浆料层的厚度为10-50μm；
S3、将涂布有复合浆料的基膜(1)送入超声定向成膜装置，进行填料在浆料中的定向排列工序；
S4、将超声定向成膜装置输出的薄膜送入烘干系统，进行复合浆料的烘干固化工序，得到定向排列的薄膜材料。
5.根据权利要求4所述的一种复合材料薄膜的定向成膜方法，其特征在于：所述S1中复合浆料由基体材料、填料、溶剂组成，其中基体材料：填料：溶剂的重量配比范围为0-0.5:0.01:1。
6.根据权利要求5所述的一种复合材料薄膜的定向成膜方法，其特征在于：所述基体材料选自聚氨酯、聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚氯乙烯、有机硅树脂、丙烯酸树脂的一种或多种的混合。
7.根据权利要求5所述的一种复合材料薄膜的定向成膜方法，其特征在于：所述填料选自碳纳米管、银纳米线、纳米碳纤维、氧化铝纳米线、石墨烯、氧化石墨烯、纳米六方氮化硼、金刚石纳米片的一种或多种的混合。
8.根据权利要求5所述的一种复合材料薄膜的定向成膜方法，其特征在于：所述溶剂包括但不限于水、甲醇、乙醇、乙酸乙酯、异丙醇、二元酸酯、环己烷、二甲基甲酰胺、甲基吡咯烷酮的一种或多种的混合。
9.根据权利要求4所述的一种复合材料薄膜的定向成膜方法，其特征在于：所述烘干固化的时间为0.5-180分钟，烘烤温度为50-180℃。
10.根据权利要求4至9任一所述的一种复合材料薄膜的定向成膜方法，其特征在于：所述薄膜材料的复合层厚度大于50μm时，经过多次涂布、定向排列、烘干的方式制得。
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